射频微波（知识点）

一、射频/微波技术及其基础

1、射频/微波技术的基础 ? 什么是微波技术

研究微波的产生、放大、传输、辐射、接收和测量的科学。射频/微波技术是研究射频/微波信号的产生、调制、混频、驱动放大、功率放大、发射、空间传输、接收、低噪声放大、中频放大、解调、检测、滤波、衰减、移相、开关等各个电路及器件模块的设计和生产的技术，利用不同的电路和器件可以组合成相应的射频/微波设备。微波技术主要是指通信设备和系统的研究、设计、生产和应用。

? 微波技术的基本理论是以麦克斯韦方程为核心的场与波的理论

2、射频/微波的基本特性

? 频率高、穿透性、量子性、分析方法的独特性

射频频段为30 ～ 300MHz，微波频段为300MHz ～ 3000GHz，相对应波长为1m ～0.1mm，照射于介质物体时能深入到该物质的内部。根据量子理论，电磁辐射能量不是连续的，而是由一个个的“光量子”组成，单个量子的能量与其频率的关系为e = h2f

-15

式中,h = 4310电子伏2秒 (eV2S) 成为普朗克常数

3、射频/微波技术在工程里的应用

? 无线通信的工作方式

1、单向通信方式

通信双方中的一方只能接收信号，另一方只能发送信号，不能互逆，收信方不能对

发信方直接进行信息反馈

AB f1f1 发射机接收机2、双向单工通信方式

通信双方只能交替地进行发信和收信，收发不能同时进行。 AB送话器送话器 f1f1TT

按-讲 开关按-讲 开关

RR f1f1受话器受话器3、双向半双工通信方式

通信双方中的一方使用双频双工方式，可同时收发；另一方则使用双频单工方式，

AB发信时要按下“送话”开关。送话器 送话器f1f2TT

按-讲 开关双工器 RRf2f1

受话器受话器4、双向全双工通信方式

通信双方可以通信进行发信和收信，这时收信与发信一般采用不同的工作频率，通过双工器来完成收信和发信的隔离。 AB送话器送话器 f1f2TT

双工器双工器RR f2f1受话器受话器

二、电磁波频谱

1、电磁波频谱及频段划分 频段 频率 波长 ELF（极低频） 30 ~ 300Hz 10000 ~ 1000Km VF（音频） 300 ~ 3000Hz 1000 ~ 100Km VLF（甚低频） 3 ~ 30KHz LF（低频） 30 ~ 300KHz HF（高频） 3 ~ 30MHz 100 ~ 10Km 10 ~ 1Km 100 ~ 10m 10 ~ 1m 10 ~ 1cm 1 ~ 0.1cm MF（中频） 300 ~ 3000KHz 1 ~ 0.1Km VHF（甚高频） 30 ~ 300MHz SHF（超高频） 3 ~ 30GHz EHF（极高频） 30 ~300GHz 光波 UHF（特高频） 300 ~ 3000MHz 100 ~ 10cm 亚毫米波 300 ~ 3000GHz 1 ~ 0.1mm 100 ~ 1000THz 300 ~ 3000 nm 2、射频/微波系统工程的无线电频段划分及代号 波段代号 频率范围（GHz） 波长范围（cm） P L S C X Ku K Ka U V W 0.23 ~ 1 1 ~ 2 2 ~ 4 4 ~ 8 8 ~ 12.5 12.5 ~ 18 18 ~ 27 27 ~ 40 40 ~ 60 60 ~ 80 80 ~ 100 130 ~ 30 30 ~ 15 15 ~ 7.5 7.5 ~ 3.75 3.75 ~ 2.5 2.5 ~ 1.67 1.67 ~ 1.11 1.11 ~ 0.75 0.75 ~ 0.5 0.5 ~ 0.375 0.375 ~ 0.3

3、移动通信频段 体制 分配频段（MHz） 实际频段（MHz） 运营商 频道间隔 上行 825 ~ 835 上行 825 ~ 835 CDMA-IS95 中国电信 1.23MHz 下行 870 ~ 880 下行 870 ~ 880 GSM900 上行 890 ~ 915 上行 890 ~ 909 中国移动 200KHz DCS1800 上行 1710 ~ 1755 上行 1710 ~ 1720 中国移动 WCDMA W-LAN 下行 1805 ~ 1815 下行 1840 ~ 1850 下行 1805 ~ 1850 上行 1745 ~ 1755 上行 1920 ~ 1980 上行 1940 ~ 1955 下行 2110 ~ 2170 下行 2130 ~ 2145 上行 825 ~ 835 下行 870 ~ 880 2010 ~ 2025 下行 870 ~ 880 B 中国联通 中国联通 5MHz 中国电信 1.23MHz 中国移动 1.6MHz CDMA2000 上行 825 ~ 835 TD-SCDMA A 2010 ~ 2025 A 1880 ~ 1920 B 2.4 ~ 2.48GHz ? CDMA系统的各信道频率 频道序号 上行频率 下行频率 备注 37 78 119 160 201 242 283 826.11MHz 871.11MHz 827.34MHz 872.34MHz 828.57MHz 873.57MHz 829.80MHz 874.80MHz 831.03MHz 876.03MHz 832.26MHz 877.26MHz 833.49MHz 878.49MHz ? GSM900系统的频道配置

GSM-900系统采用等间隔方式，频道间隔为200KHz，同一信道的收发频率间隔为45MHz, 频道序号和频道标称中心频率的关系为

F上行（n）= 890.2 +（n-1）30.2 MHz F下行（n）= F上行（n）+ 45 MHz 式中：频道序号 n = 1 ～ 124 在我国的GSM900网络中，1～94号载频分配给中国移动使用，96～124号载频分配给中国联通使用，95号载频作为保护隔离，不用于业务。 ? DCS1800系统的频道配置

DCS1800系统采用等间隔方式，频道间隔为200KHz，同一行到的收发频率间隔为95MHz，频道序号和频道标称中心频率的关系为

F上行（n）= 1710.2 +（n-512）30.2 MHz F下行（n）= F上行（n）+ 45 MHz 式中：频道序号 n = 512 ～ 885

在我国的DCS1800网络中，512～561号载频分配给中国移动使用，686～736号载频分配给中国联通使用。

? WCDMA的频道配置

WCDMA的工作频道为20MHz，可在60MHz内任意选择，信道带宽为5MHz。 ? TD-SCDMA的频率配置

工作频率

? 1800～1920 MHz（上/下行共用）

2010～2025 MHz（上/下行共用） 2300～2400 MHz（上/下行共用） ? *1850～1910 MHz（上/下行共用）

1930～1990 MHz（上/下行共用） ? *1910～1930 MHz（上/下行共用）

注：1、*用在ITU定义的区域2，此频段分配属研究频段

2、其他频段有相关主管部门确定

中国移动TD-SCDMA网的频率范围及信道

2010～2025MHz；信道带宽：1.28MHz；信道间隔：1.6MHz 载频有效工作带宽计算：

（N-1）31.6MHz + 1.28MHz + (M-1)35MHz 式中：N为频点数，M为组数

三、射频/微波工程中的重要参数

1、频率、阻抗和功率的表征

? 频率

1、 频率的定义

频率是单位时间内重复的次数。频率和周期在数学上互为倒数，即f=1/T 2、 有关信号频率的基本电路

在射频/微波电路里，直接与信号频率相关的电路及仪器有信号发生器、频率变换器、频率选择器。

? 功率

1、 功率的定义

描述射频/微波信号的能量大小，单位是瓦特，用符号Ｗ表示。 2、 有关射频/微波信号功率的基本电路

在射频/微波电路里，直接与信号功率相关的电路及仪器有衰减器、功率分配/合路器、定向耦合器、放大器

? 阻抗

1、阻抗的定义

在特定频率下，描述射频/微波电路对微波信号能量传输的影响的一个重要参数。 2、有关射频/微波阻抗的基本电路

阻抗变换器、阻抗匹配器、阻抗标准器

四、射频/微波工程测量技术

1、测量的重要性

? 测量是人类认识和改造世界的一种重要的手段。在人们对客观事物的认识过程中，经常

需要进行定性、定量的分析，这时就要进行测量。测量是通过实验方法对客观事物取得定量数据的过程，通过大量的测量，人们可以逐步准确地认识各种客观事物，建立起各种定理和定律。所以，杰出的科学家门捷列夫说：“没有测量，就没有科学”。电子信

息科学是现代科学技术的象征，它的三大支柱是：信息获取（测量技术）、信息传输（通信技术）、信息处理（计算机技术），三者中信息的获取是首要的，而电子测量是获取信息的重要手段。

? 微量技术包括哪些方面？

微波信号特性的测量和微波网络特性的测量

2、微波频率的测量

? 直接影响信号的频率稳定度的因素为如下五方面。

1. 频率源的参数变化 2. 外界干扰的影响 3. 频率源噪声的影响 （1）附加噪声 （2）干扰噪声 （3）调频闪变噪声

4. 信号的杂散（或寄生信号）引起频率不稳定性 5. 交流干扰（或称哼扰调制） ? 射频/微波工程对频率特性的要求

1、时域特性

频率误差：指直放站在工作频带内输入频率与输入频率的偏差 调制准确度：可用相位误差来衡量，直放站相位误差是指直放站输出相位轨迹与其回归线之差。

2、频域特性

移动通信系统里通信信号的频域特性是对通信设备的重要指标，该指标要求的表征形式较多，最主要的是用噪声、频谱等特性来表示。 ? 频差倍增技术

该技术是将频差通过倍增器，扩大后再进行测量，也可称为“频率倍增技术” fx = fs ± Δf倍增器fM = fs ± MΔf （×M）fs

被测频率（fx）、标称频率（fs）、频率偏差（Δf）有如下关系 fx?fs??f

频差倍增有三种方式：直接倍增、一级倍增、多级倍增

3、微波功率的测量

? 基本概念：

测量微波功率的最常用方法是“热”的方法，即把微 波能量转换成热能，然后用测热的方法进行测量。常用的测热式功率测量仪器有量热式功率计、热偶式功率计和测辐射热器式功率计等。 ? 对数单位

1、 绝对功率电平（dBm）

以基准量P0 = 1mW作为零功率电平（0dBm），则任意功率（被测功率）Px的功率电平定义为：

PXPX(mW) PmW(dBm)?10lg?10lgP1mW 0

2、 相对功率（dB）

Plg1相对功率即两个功率之比的对数: P2若P1 = 103P2，则有 P10P2lg1?lg?1 P2P2这个无量纲的数为1，称为1贝尔（Bel）。在实际应用时，贝尔太大，通常采用分贝，写为dB（deci Bel），1贝尔等于10dB。 3、 功率的定义及其信号源反射系数的影响 信号源的资用功率。

信号源传输到无反射负载上的功率（也称为发生器功率）。

信号源入射到任意负载上的功率以及信号源传输到任意负载上的净功率等

b1a1

ΓGΓL

信号源负载

bG

a1为信号源入射到负载的入射电压波波幅； b1为负载反射的反射电压波波幅；

bG为信号源传输到无反射负载的电压波波幅； ΓG为信号源的反射系数； ΓL为负载的反射系数。

当负载的反射系数与信号源的反射系数成复数共轭是，其反射系数满足ΓL = ΓG* 的条件。此时信号源传输到负载上的功率最大。

4、微波阻抗的测量

? 分布参数阻抗的基本概念

传输线上的电压和电流

?z??z

式中：V为电压复数； I为电流复数；

A，B为由终端负载特性决定的复常数；

Z0为传输线的特性阻抗，该参数仅与传输线的结构、尺寸和频率有关；

γ = α + j β为是传输线的另一个参数，其中α是衰减常数，j β是相位常数。 传输线上的阻抗关系

在分布参数电路中，线上任一点的复数阻抗定义为该点的复数电压与复数电流之比。，

?l??l线上任一点P的阻抗Zp，

V?Ae?Be1I?(Ae?z?Be??z)Z0VAe?BeZP??Z0?lIAe?Be??l式中：l为由P点至终端负载的距离

在终端负载处，l = 0，可求得终端负载阻抗ZL为

A?

B1?BAZL?Z0?Z0BA?B1?A可得：得到线上任一点P的阻抗ZP与终端负载阻抗ZL的关系式

Z?Z0th(?l)

ZP?Z0LZ0?ZLth(?l)

ZL?jZ0tg(?l)对于无耗传输线，α = 0，γ = α + j β，则 ZP?Z0Z0?jZLtg(?l)

可以看出，因此分布参数阻抗在沿线的不同位置各不相同，是沿线位置的函数 电压反射系数与回波损耗 电压反射系数：线上任一点的电压反射系数定义为该点反射波电压与该点入射波电压之比值，反射系数Γ = | Γ |e jφ，是一个由模| Γ |和相角φ组成的复数量。根据定义，线上任一点P的反射系数Γp，用数学式表示为： VrBe??lB?2?l????eP?l

ViAAe式中：l 为由P点至终端负载的距离。

B??Lej?L在终端负载处，l = 0，负载的反射系数为 ?L?A对于无耗线有：

?P??L,?P??L,(?L?2?l)?P??Le?2?l??Lej(?L?2?l)或 表明，沿无耗线移动参考面位置时，反射系数模不变，都等于终端负载的反射系数模 |ΓL|，而沿线反射系数的相角则随l成线性关系变化。

驻波比：电压驻波比的定义是电压最大值|V| max与电压最小值|V| min之比值（英文缩写为VSWR），简称驻波比。一般用符号K:1表示，用数学式表示为：

VmaxK? Vmin

驻波比是无量纲的标量，为了表征电压驻波的相位，通常取从测试参考面往源端移动到第一个电压最小点处的距离lmin作为驻波相位的标志。取许多电压最小点中的第一个电压最小点，实际是规定了驻波相位的单值变化范围为0 ≤ lmin ≤ λ/2。必要时也可以取半波长任意整数倍的其它最小点位置代替。

驻波比与反射系数的关系： K?1Vmax1??L??K??L K?1Vmin1??L

式中：K为驻波比；|ΓL|为反射系数摸。 二端口网络的S参数

1111122 a1a2线性二端口网络 b1b2 221122212

bS11?1a2?0当端口2连接无反射负载时，从端口1看入网络的反射系数 a1

b当端口2连接无反射负载时，从端口1到端口2的传输系数 S21?2a2?0a1

b当端口1连接无反射负载时，从端口2到端口1的传输系数 S12?1a1?0a2

b当端口1连接无反射负载时，从端口2看入网络的反射系数 S?2a?0

b?Sa?Sab?Sa?Sa22a21六、射频微波的测量仪器

1、微波信号发生器

? 信号发生器是产生不同频率、不同波形和不同幅度的电压和电流信号，并加载到被测器

件或设备上，然后用其他的测量仪器测量其输出响应。 ? 信号发生器的主要应用有

作为激励源：作为某些点在设备如移动通信设备的激励信号源，尤其是在移动通信射频工程里可作为信源

作为校准源：产生一些标准信号，用于对一般的信号源进行校准 ，尤其是微波信号的频谱特性的测量，需要有低噪声信号发生器作为标砖信号

信号仿真：在电子设备测量中，场需要产生模拟实际环境特性的信号，可对于干扰信号进行仿真。

? 微波信号发生器的主要特性有？ ? 频率特性

频率范围：微波信号发生器的各项技术指标都得到保证时的输出频率范围 频率准确度和分辨率：微波信号发生器的频率准确度指标称输出信号频率相对于标准频率的相对偏差程度。微波信号的频率准确度取决于读数精度和校准精度。读数精度决定于频率刻度盘或其他读数装置上所能分片的最小增量，即分辨率。

频率稳定度：由于微波源的内部随机噪声和电气、机械以及环境的不稳定因素引起的震荡频率的相对起伏，其表征量分为频域和时域。时域方面通常用频率漂移特性来衡量微波信号发生器由于环境温度、湿度的变化、电子器件以及其他的老化等因素引起的频率漂移。频域方面用相位噪声谱密度来表征频谱纯度。

? 功率特性：输出电平、幅度稳定性、幅度均匀性、输出驻波比、高频泄露 ? 调制特性：调制种类、调制信号特性、调制指数、调制失真、几声调制等。

调制种类：正弦调幅、脉冲调幅、调频和调相等方式 调制信号特性：正弦调幅脉冲调制、调频

2、频率合成信号发生器

? 什么是频率合成？

? 频率合成就是对一个参考频率进行频率的加和减（混频）、乘（倍频）、除（分频），以

得到所需要的一系列信号频率，而且所有的输出频率都与参考频率相关，具有完全一样的频率准确度和长期频率稳定度。 ? 实现频率合成的方法 ? 直接合成：基准信号通过脉冲形成电路产生谐波丰富的窄脉冲，进过混频、分频、倍频、

滤波进行频率的变换和组合，产生大量的离散频率，最后通过滤波器取出所需频率。方法包括多晶体频率合成法、单晶体谐波选频法和十进制多晶体直接合成法。

? 间接合成：间接合成是通过锁相环来完成频率的加、减、乘、除，故也称为锁相合成法 ? 锁相环路基最基本组成框图

Vd(t)Vi(t)Vo(t) 鉴相器环路滤波器压控振荡器f if o

锁相环的基本形式

? 混频式锁相环：利用锁相环对输入信号频率进行加、减运算，也称为加减环。 fi1fo=fi1-fi2PDLPFVCO

BPFM（+） (a)fi2 fi1fo=fi1+fi2PDLPFVCO

BPFM（-）

fi2（b）

? 倍频式锁相环：利用锁相环对输入信号频率进行乘法运算。常有脉冲控制和数字环两种

基本形式 fifo=NfiPDLPFVCO脉冲形成

脉冲控制环组成框图 fo=NfifiPDLPFVCO

fi/N

÷N

数字环原理图

? 分频式锁相环：利用锁相环对输入信号进行除法运算。

fifo=fi/Nfifo=fi/N

PDLPFVCOPDLPFVCO

Nfo

脉冲形成3 N （a）（b）

? 锁相环的基本理论

? 锁相环路的锁定过程

锁相环开始工作时，压控振荡器（VCO）的固有输出信号频率f0（即开环时VCO自由振荡频率），总是不等于输入信号频率fi（通常是参考频标频率），即存在固有的频差：Δf = f0 - fi，则两个信号之间的相位差将随时间变化，经相位比较器，鉴出与之相应的误差电压Vd（t），然后，通过环路滤波器加到VCO上。VCO受误差电压控制，使压控振荡器的频率向着输入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越低，直至消除频差而锁定。

环路从失锁状态进入锁定状态的上述过程，称为锁相环的捕捉过程。锁相环处于锁定状态时具有两个基本特性，一个特性是输入信号和VCO输出信号之间只存在一个稳态相位差，而不存在频率差；另一个特性是VCO的输出频率稳定在输入频率（参考频标频率）上，锁相合成法就是利用这一特性来稳定频率。

? 锁相环的跟踪特性和同步带宽

当环路锁定时，VCO的输出频率（也称环路输出频率）f0等于环路输入频率fi，也就是说，环路输出频率可以精确地跟踪上输入频率的变化，这就是环路的跟踪特性，所以环路的锁定状态又称跟踪状态或同步状态。当输入频率变化超过一定范围（即固有频差超过一定值），输出频率不再能跟踪输入频率的变化，这时环路将“失锁”。 在环路保持锁定的条件下，把输入频率所允许的最大变化范围定义为同步带宽。在锁相合成器中，输入频率是基准频率fr，相对于输出频率f0，可认为基准频率fr不变，那么，同步带宽可理解为在环路保持锁定的条件下，VCO频率f0允许变化的最大范围。 ? 锁相环路的捕捉与捕捉带宽

锁相环从失锁状态进入锁定状态是有条件的，当锁相环处于失锁状态，若调谐VCO的输出频率f0，使它逐渐向基准频率fr靠近，即减小固有频差△f0＝f0－fr，只有当固有频差减小到一定值，环路才能从失锁状态进入锁定状态。为此，“捕捉带宽”可定义为环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的固有频差。

锁相环的捕捉过程是环路从失锁状态进入锁定状态的过程。只要固有频差△f0小于环路的捕捉带宽，那么，通过捕捉，环路总能进入锁定，当然，捕捉过程是需要一定时间。通常，锁相环的捕捉过程可分为两个阶段：第一阶段是频率牵引阶段，另一阶段是快捕。 fo(t) 锁定

ΔfoΔfo

fo

fo t0频率牵引阶段快捕

? 锁相环路的基本特性：锁定特性、载波跟踪特性、调制跟踪特性、低门限特性。 ? 单环锁相频率合成器： fo=Nfr数字式÷RLPFVCO PD

f0?Nfr

参考可变分频

÷N频率源

信道选择? 变模前置分频锁相环频率合成器： NT ＝（P＋1）N2＋（N1－N2）P＝PN1＋N2 假如，P＝10，则总分频比为NT ＝ 10N1＋N2

频率合成器集成电路

晶振参考分频 frfo =（PN1 + N2）frPDLPFVCO

÷N1

模式控制双模分频器 ÷N2÷P/(P+1)

fit

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